[論文レビュー] Meta-optics and bound states in the continuum

Kirill Koshelev, Andrey Bogdanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 45被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、高屈折率の誘電体メタ原子における束縛状態の連続体（BIC）および準BICを活用することで、メタ光学素子における超高品質（高Q）光学共鳴を実現することを提案する。波長未満の誘電ナノ粒子およびメタサーフェスにおける対称性の破れを設計することで、漏れモードの破壊的干渉が放射損失を抑制し、強力な場強調と2500倍のQファクター向上を実現した。これにより、すべて誘電体のナノフォトニクス素子における非線形周波数変換効率が顕著に向上した。

ABSTRACT

We discuss the recent advances in meta-optics and nanophotonics associated with the physics of bound states in the continuum (BICs). Such resonant states appear due to a strong coupling between leaky modes in optical guiding structures being supported by subwavelength high-index dielectric Mie-resonant nanoantennas or all-dielectric metasurfaces. First, we review briefly very recent developments in the BIC physics in application to isolated subwavelength particles. We pay a special attention to novel opportunities for nonlinear nanophotonics due to the large field enhancement inside the particle volume creating the resonant states with high-quality (high-$Q$) factors, the so-called quasi-BIC, that can be supported by the subwavelength particles. Second, we discuss novel applications of the BIC physics to all-dielectric optical metasurfaces with broken-symmetry meta-atoms when tuning to the BIC conditions allows to enhance substantially the $Q$ factor of the flat-optics dielectric structures. We also present the original results on nonlinear high-$Q$ metasurfaces and predict that the frequency conversion efficiency can be boosted dramatically by smart engineering of the asymmetry parameter of dielectric metasurfaces in the vicinity of the quasi-BIC regime.

研究の動機と目的

• 孤立した波長未満の誘電ナノ粒子における束縛状態の連続体（BIC）の応用を検討し、超高Q共鳴を達成すること。
• 誘電メタ原子における対称性の破れが、放射損失が抑制された準BICの形成を可能にする仕組みを調査すること。
• 高Q準BICモードにおけるPurcell効果を用いて、非線形周波数変換効率の向上を実証すること。
• Fano共鳴と準BICとの直接的な関連を、誘電メタサーフェスにおいて特定し、チューナブルなナノフォトニクス素子の実現に寄与すること。
• すべて誘電体プラットフォームにおけるBIC物理学に基づいた、高性能な非線形およびセンシングメタデバイスの設計フレームワークを確立すること。

提案手法

• 可変なアスペクト比を持つ円柱状のAlGaAsナノ粒子をモデル化し、Friedrich-Wintgen機構を用いて漏れモード間の破壊的干渉を誘導する。
• 有限要素法を用いて、ナノ粒子の幾何形状の関数としてモード周波数およびQファクターを計算し、特定のアスペクト比における準BIC領域を同定する。
• Fano共鳴モデルを用いて、準BICに関連する鋭いスペクトル特徴を記述し、非対称性パラメータを主要な調整変数とする。
• 非線形感受率290 pm/Vを用いて二次高調波発生（SHG）効率をシミュレートし、準BIC領域における内部変換効率を計算する。
• 近場分布の解析により、準BIC波長における強い場の局在化と強調を確認する。
• 平面内対称性が破れたすべて誘電メタサーフェスにフレームワークを拡張し、実用的デバイス統合に適した高Q共鳴をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、孤立した波長未満の誘電ナノ粒子における束縛状態の連続体（BIC）を設計し、超高Q共鳴を達成できるか？
• RQ2 漏れモード間の破壊的干渉が、高屈折率誘電ナノ構造における放射損失の抑制と準BIC形成に果たす役割は何か？
• RQ3 誘電メタサーフェスを準BIC領域にチューニングすることで、非線形周波数変換効率はどの程度向上できるか？
• RQ4 誘電メタ原子の非対称性パラメータが、準BICモードにおけるQファクターおよび場強調に与える影響は何か？
• RQ5 Fano共鳴プロファイルは、誘電メタサーフェスにおける準BIC状態と直接的に関連づけることができるか、光-物質相互作用の強化に寄与するか？

主な発見

• アスペクト比を調整することで、漏れモード間の破壊的干渉を誘導し、2500のQファクターを有する準BIC状態が、波長未満のAlGaAsナノ粒子で達成された。
• 二次高調波発生（SHG）変換効率は、準BIC波長で顕著な最大値を示し、Purcell効果および場の局在化による顕著な向上を示した。
• 励起波長が準BIC共鳴に近づくに従い、内部SHG変換効率が急激に増加し、高Qモードにおける強い非線形強調を示した。
• Qファクターの向上は、Friedrich-Wintgen機構による放射損失の抑制に起因し、2つの漏れモードが破壊的干渉することで実現された。
• 反射スペクトルにおけるFano共鳴プロファイルは、直接的に準BIC状態に対応しており、Fano型ラインシープと高Q共鳴との関連を確認した。
• 理論的解析により、非対称性パラメータをさらに小さくすることで、SHG効率のさらなる向上が可能であることが示されたが、材料損失およびプロセスの不完全性に制限される。